Прокатне виробництво включає виготовлення різних марок конструкційних сталей, кожна з яких має індивідуальні механічними характеристиками. В процесі експлуатації сталеві споруди піддаються в різному ступені навантажень на вигин і стиск, розтяг і удари і тільки від механічних властивостей металів залежить ступінь їх міцність і стійкість. Щоб зробити правильні розрахунки, застосовується спеціальна розрахункова формула.
Види деформації стали
Важким конструкцій необхідно надати додаткову міцність і надійність, в зв'язку з чим до властивостей використовуваних для виготовлення металів пред'являються особливі вимоги.
При розрахунку розмірів конструкції важливу роль відіграє зниження маси споруди без втрати його несучих здібностей. Використовувані для виготовлення металевих споруд конструкційні метали повинні мати досить високі показники міцності і хорошу пластичність.
Опірність деформації і руйнуванню під впливом зовнішнього навантаження багато в чому залежить від того, якими властивостями наділений метал. У виробництві стали деформація зустрічається в двох видах: пружною і пластичної.
Описуються вони різними характеристиками. Сьогодні для випробування зразків металів застосовують кілька методик, які визначають значення пропорційності, пружності, плинності і інших важливих характеристик.
Сучасне визначення стали звучить як твердий сплав заліза з вуглецем, процентним вмістом якого і обумовлені основні властивості стали. Чим вищий вміст вуглецю, тим метал міцніше і твердіше, але нижче в'язкість і пластичність. Тому так важливо правильно розрахувати співвідношення цих показників для виробництва тих чи інших виробів зі сталі. Маркувати стали прийнято кожну групу по-різному.
Конструкційна вуглецева сталь маркується буквами Ст і цифровими позначеннями від 1 до 9, а також двома буквами в залежності від способу розкислення металу (ст.3кп):
- кп - кипляча;
- пс - полуспокойная;
- сп - спокійна.
Якісна - цифрами двозначними: 05, 08, 10, … 45 …, що вказує на середню кількість вуглецю в складі стали.
Межа плинності стали
Граничну межу пропорційності стали визначає напругу, при якому діє закон Гука, згідно з яким деформація, що виникла в пружному тілі, пропорційна доданої щодо нього силі. Якщо напруга змінюється, цей закон втрачає актуальність.
Важливою фізичною величиною, яка бере участь у формулі при розрахунку міцності конструкції, є межа плинності металу. Коли металом досягається фізична межа, навіть найменше підняття напруги здатне подовжити зразок, який починає як би текти, звідки й походить його позначення. У зв'язку з цим межа плинності стали показує критичне напруження, коли матеріал деформується вже без збільшення навантаження.
Одиниця, в якій проводиться вимірювання границі текучості буде називатися Паскаль (Па) або мегапаскалей (МПа). Подолав цю межу зразок отримує незворотні зміни - різні ступені деформації, порушення структурної будови кристалічної решітки, різні пластичні перетворення.
Якщо при збільшенні растягивающего значення сили пройдена майданчик плинності, деформація металу посилюється. На діаграмі це представляється у вигляді горизонтально розташованої прямої, на якій може вимірюватися напруга, максимально отримується після зупинки посилення навантаження. Так звану межу плинності Ст 3 складає 2450 кг / кв.см.
Цей показник відрізняється у різних марок сталі і може змінюватися від застосування різних температурних режимів і типів термообробки. Щоб мати можливість точно визначити межу текучості стали таблиця використовується, де в залежності від марок сталей наведені величини меж плинності. Як приклад, за даними таблиці сталь 20 межа плинності має 250 МПа, а сталь 45 - 360.
При проведенні випробувань деякі метали на діаграмі мають слабо виражену площадку тягучість або вона зовсім відсутня, тому до них застосовується умовний межа тягучість.
Матеріали, на які поширюється застосування умовної межі текучості, це в основному представники високовуглецевих і легованих сталей, дюралюміній, чавун, бронза і багато інших.
межа пружності
Дуже важливою складовою механічного стану металів є межа пружності стали. З його допомогою встановлюється гранично допустимий рівень навантажень при експлуатації металу, коли їм випробовуються незначні деформації в допустимих значеннях.
Конструкційні матеріали в собі повинні поєднувати високі межі тягучість, при яких вони зможуть витримувати серйозні навантаження, і мати достатню пружність, яка забезпечить необхідну жорсткість виготовленої конструкції. Сам модуль пружності володіє однаковою величиною при розтягуванні і стисненні, але мати абсолютно відмінні межі пружності - так що однаково жорсткі конструкції діапазони пружності можуть мати абсолютно різні.
При цьому метал в пружному стані макропластіческіх деформацій не отримує, хоча в його окремих мікроскопічних обсягах локальні деформації цілком можуть мати місце. Завдяки їм відбуваються непружні явища, серйозно впливають на поведінку окремих металів в стані пружності.
При цьому навантаження статичні призводять до виникнення гістерезисних явищ, релаксації і пружного післядії, в той час як навантаження динамічні провокують появу внутрішнього тертя.
В процесі релаксації відбувається несанкціоноване зниження напруги. Це призводить до прояву залишкової деформації, коли активне навантаження вже не діє. При настанні внутрішнього тертя відбувається втрата енергії. Це викликає незворотні наслідки, які характеризуються декрементом загасання і коефіцієнтом внутрішнього тертя.
Такі метали активно гасять вібрацію і стримують звук, наприклад, сірий чавун, або вільно розповсюджують коливання, як це робить дзвонова бронза. З підвищенням температурного впливу пружність металів знижується.
Межа міцності
Межа міцності стали, який виникає після проходження його межі плинності і дозволяє зразком знову почати опір до розтягування, відображається на графіку лінією, яка піднімається вже більше полого.
Настає фаза тимчасового опору чинній постійному навантаженні. При застосуванні максимуму напруги в точці межі міцності виникає ділянку, де площа перерізу зменшується, а шийка значно звужується.
При цьому випробовуваний зразок розривається в найбільш вузькому місці, його напруга знижується і значення величини сили зменшується. Межа міцності для ст. 3 складає 4000-5000 кг / кв.см.